机制砂的特点及其对混凝土性能的影响_刘秀美

文章编号：1007-046X(2012)06-0036-03
生态建材
机制砂的特点及其对混凝土性能的影响
The characteristics of Machine-Made Sand and Its Influence on Concrete Performance
刘秀美，陶珍东
（济南大学材料科学与工程学院，山东 济南 250022）
摘 要： 以C40混凝土为例研究了机制砂的特点。

通过不同砂率、石粉含量、颗粒级配、圆形度分别对混凝土的 坍落度、强度工作性能进行了试验研究，得出了砂率控制在 41%~42%、石粉含量控制在 7%~11% 的最 佳掺入比例。

关键词： 机制砂；发展；混凝土；性能
中图分类号：TU521 TU522.3+2 文献标志码：A
0 前 言
近年来，随着我国建筑行业的迅速发展，混凝土作为现代工程结构的主要材料，其用量逐年增加。

每年仅建筑集料用量高达 70 多 亿 t [1]。

随着天然砂的日益短缺和国家环保意识的加强，一些地区已经禁止开采河砂[2]，因此砂源供需矛盾越来越突出，天然砂价格大幅上升。

同时, 在利益驱使下，天然砂的掺杂问题也日益彰显，质量大大下降。

在此背景下，机制砂（machine-made sand）的使用和推广成为一种必然趋势[3]。

然而，当今人们对机制砂的认识和研究并不完整。

1 试验材料及配合比
（1）水泥：水泥性能见表 1。

36COAL ASH 6/2012
表 5 C40 混凝土配合比 kg/m 3
表 1 水泥
厂家 等级 0.08mm 方孔筛筛余/%初凝/min 终凝
/min 抗压强度/MPa 3 d 抗折强度/MPa 28 d 3 d 28 d 山东水
泥厂
P.O42.5
1.0
120
215 33.3
51.7
3.4
8.0
表 2 粉煤灰 %
（2）粉煤灰：粉煤灰性能见表 2。

厂家 0.045mm 方孔筛筛余 需水量比 烧失量 强度活性指标肥城石横电厂
12
102
2.3
78.4
表 3 碎石
（3）碎石：碎石性能见表 3。

产地公称粒级/mm 针片状颗粒含量/%
含泥量/%济南
5~25
7.5
0.3
（4）机制砂：试验测得相关参数见表 4。

表 4 机制砂参数
筛孔尺寸/mm 下颗粒级配筛余累计/%
细度模数
石粉含量/%
表观密度/kg .m -3
堆积密度/kg .m -3 空隙率/% 圆形度
机制砂Ⅰ 牌号 3.59（MB=3.0） 2 714 1 5500.45 0.87 机制砂Ⅱ
3.64（MB=1.2） 2 700 1 5810.41 0.91 机制砂Ⅲ
2.9
8（MB=0.13） 2 732
1 648
0.40
0.94
（5）配合比：经计算和试配得出 C40 混凝土配合比见表 5。

胶凝材料
水泥 矿粉 粉煤灰水 砂 石子 外加剂
347
88
45
175
677
1 058
14.4
2 机制砂的各参数对混凝土性能的影响2.1 砂率对混凝土性能的影响
本试验采用机制砂Ⅰ，不同砂率的混凝土性能见表 6 。

37
6/2012
粉煤灰
图 3 石粉含量对混凝土坍落度的影响
图 1 砂率对混凝土坍落度的影响
图 2 砂率对机制砂混凝土的 3 d 、28 d 强度影响表 7 不同石粉含量的混凝土坍落度及抗压强度情况
表 6 不同砂率的机制砂混凝土性能
编号砂率/% 坍落度/mm 工作性
3 d 抗压强度/MPa 28 d L01 40180稍泌水流动性差，坍损快21.
4 51.1 L02 42190流动性良好，包裹性差 21.
5 51.4 L03 43180流动性差，坍损快 22.
6 52.0 L04 44185良好，包裹性差 20.8 45.6 L05
45
180
流动性差，坍损快
23.6
46.6
砂率对混凝土坍落度、抗压强度的影响见图 1、图 2 。

178
180182184186188190192394041
4243444546砂率/%
坍落度/m
m
102030405060砂率/%
抗压强度/M P a
从图 1 可以看出，随着砂率的增加，混凝土的坍落度并没有明显可控的规律，砂率在 42% 时工作性能好；但是，总体上所有砂率下的混凝土工作性均不良好，这是因为该机制砂中含泥量较高，影响了外加剂的性能。

从图 2 可看出，随着砂率的增高，机制砂混凝土强度先增高后降低，强度上虽然差别不是很大，但还是有规律可循，基本上为先增后减。

这规律符合理论原理，因为砂率增大，填充较完整，但是太大则降低了粗集料的骨架功能。

图 2 表明砂率为 42% 时该机制砂混凝土的 3 d、28 d 强度最高。

图 1 与图 2 说明砂率控制在 41%~42% 时机制砂混凝土的工作性能比较好且强度符合要求。

2.2 石粉含量的影响
该试验采用机制砂 Ⅱ，砂率 41%，结果见表 7。

由表 7 作石粉含量对坍落度和混凝土抗压强度影响曲线见图 3、图 4。

编号 石粉含量/%
坍落度/mm 工作性 28 d 抗压强度/MPa S01 4 210 良好 47.1 S02 7 220 好 45.7 S03 10 220 好 53.2 S04 11 220 好 53.0 S05 12 210 稍黏稠 52.9 S06
15 200
稍黏稠
52.8
195
200205210215220225石粉含量/%
坍落度/m m
图 4 石粉含量对抗压强度的影响
图 5
机制砂级配曲线图
44
4648505254石粉含量/%
抗压强度/M P a
图 3 表明：混凝土的坍落度随石粉含量先增高后降低，即石粉含量对混凝土的工作性能有很大影响。

图 4 表明：随石粉含量的增加强度增大，但并不会无限地增大，当石粉含量增加到 11% 时，强度基本不再增加。

试验结果表明，控制机制砂的石粉含量在 7%~10% 时混凝土性能最好。

2.3 颗粒级配的影响
机制砂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 级配曲线图见图 5。

20406080100
120 4.752.361.180.60.30.150
筛孔直径/mm
筛余累计/%
以机制砂Ⅰ为基础，调整级配按照 41% 的砂率、8% 的石粉含量进行试验，结果见表 8。

38COAL ASH 6/2012
图 6 圆形度测试结果
表 8 不同颗粒级配的机制砂混凝土
编号级配坍落度/mm
工作性28 d 强度/MPa M01 机制砂Ⅰ 190 稍差 47.1 M02 机制砂Ⅱ 210 良好 39.5 M03 机制砂Ⅲ220 良好（加水） 58.3 M04
Mx=2.8
220
和易性好，黏稠
49.6
注：Mx=2.8 的级配调整为 9.5 mm 至 0.15 mm 的筛余累计是（0 2 20 40 60 80 90）
表 9 机制砂圆形度对混凝土性能的影响
砂源 圆形度 坍落度/mm
工作性能 28 d 强度/MPa
机制砂Ⅲ 0.94 220 良好 60.6 机制砂Ⅱ 0.91 210 良好 45.7 机制砂Ⅰ
0.87
190
良好
41.3
很明显，圆形度越大，即机制砂颗粒越接近球形，混凝土的工作性能越好，抗压强度越高。

3 结 论
（1）与天然砂相比，机制砂的砂率可以适当增加，虽然每批机制砂各不相同，在保证机制砂混凝土的工作性和强度均能满足的同时，砂率均可控制在 41%~42%。

（2） 一直以来人们对石粉含量的限定范围都有不同的认识[4-6]，主要是因为机制砂颗粒形貌和外加剂种类对混凝土性能的影响比较大，在保证混凝土的工作性和强度的情况下，对于搅拌站常用机制砂和外加剂的混凝土，机制砂石粉含量控制在 7%~11% 是最佳的；对于球性度良好或外加剂较好的，石粉含量的范围可以放宽。

（3） 不同的机制砂厂生产的机制砂有不同的级配，大部分为粗砂，直接用于混凝土搅拌是不可行的；当然如果颗粒形貌良好另外考虑。

对于常见的球形度不好的机制砂，级配调整在细度模数 3.3~3.0 范围内较好。

（4）对机制砂混凝土影响最大的其实是机制砂的颗粒
9182736455463728190圆形度(数量)区间分布/%
(数量)累计分布/%
1020304050607080907142128354249566370圆形度(数量)区间分布/%
(数量)累计分布/
%
481216202428323640圆形度
(数量)区间分布/%
(数量)累计分布/%
0.2
0.40.60.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0
9182736455463728190圆形度
(数量)区间分布/%
(数量)累计分布/%
(c) 机制砂Ⅱ
(b) 机制砂 Ⅰ(d) 机制砂 Ⅲ
从表 8 可以看出，机制砂的颗粒级配对混凝土的工作性和强度影响比较大，而且复杂。

当级配如机制砂Ⅱ时，工作性能良好，但抗压强度很低。

相比机制砂Ⅱ本身的试验分析，其原因可认为在调整机制砂Ⅰ的级配至Ⅱ时细颗粒增加、粗颗粒减少，但是由于Ⅰ的颗粒比Ⅱ粗糙，此级配中间大小的颗粒较少，不能很好地互相咬合；而当把颗粒级配调整成机制砂Ⅲ时，细度整体变小，需水量增加，稍加水后其工作性能良好，且强度达标；继续增加细度，则工作性和强度均降低。

2.4 圆形度的影响
试验通过形貌测试仪对不同机制砂进行圆形度测试，圆形度可以量化机制砂的颗粒形貌，方便试验研究机制砂颗粒形貌的影响。

具体测试情况见图 6，分别是天然砂和机制砂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 的圆形度测试结果。

调整各砂源级配（Ⅱ）、石粉含量（7%）一致，试验砂率（41%）、配合比一致，试验结果见表 9。

(下转第42页)
42COAL ASH 6/2012
参考文献
收稿日期: 2012 年 7 月 25 日
[1] 邵霞,陆文雄.脱硫粉煤灰的综合利用及其资源化[J].洁净煤技术, 2009(5):104-106.
[2] 吕文杰,李胜荣.热电厂脱硫灰的综合利用[J].热力发电,2009,38(9):7-10.[3] 邵霞,陆文雄.脱硫粉煤灰用作混凝土掺合料的应用研究[J].粉煤灰, 2004(2):23-26.
[4] 郭幻,宋存义.烧结脱硫灰制备蒸压加气混凝土砌块的研究[J].环境工 程学报,2011(3):389-695.
[5] 范俊杰,曹德光,黄承好,等.工艺参数对电石渣型蒸压加气混凝土发 气的影响研究[J].新型建筑材料，2010(11)：34-36.
作者简介：刘素霞，女，硕士研究生，研究方向为新型建筑材料.单位:河南理工大学材料科学与工程学院.通信地址:河南省焦作市高新区世纪大道2001号河南理工大学1316信箱(454000).电子信箱：liusuxia111@.
图 9 表面活性剂掺量对干密度的影响
图 10 表面活性剂掺量对强度的影响
490
5005105205305405505605705800.10.30.50.70.9 1.1
表面活性剂（%）
干密度/k g .m -3
2
2.22.42.62.83
3.23.40.10.30.50.70.9 1.1
表面活性剂/%
强度/M P a
焦磷酸钠、十二烷基硫酸钠、三聚磷酸钠都是表面活性剂，通过表面活性剂的作用，能协助铝粉膏形成复合型的发泡，在料浆发气过程中，气体和液体构成的两相系统，是气体分散在一个连续液相中的现象。

当有空气通入含有表面活性剂的料浆体中，表面气泡就具有了双重壁膜，从而能使气泡稳定地存在，可以降低制品密度，增大蒸压加气混凝土砌块制品强度。

参照图 8 可以看出，掺加 3 种表面活性剂，只有焦磷酸钠对料浆稠度影响不大且都在 28~29 cm。

参照图 9 可以看出，掺加焦磷酸钠，使蒸压加气混凝土砌块制品干密度较之其他几种表面活性剂要小。

参照图 10 可知掺加焦磷酸钠的蒸压加气混凝土砌块制品抗压强度相对也比较高。

综合考虑，本试验应选焦磷酸钠为表面活性剂，其合适的掺量为 0.5%~0.7%。

3 结 论
（1）试验结果表明，采用脱硫灰、电石渣等固体废弃物生产蒸压加气混凝土砌块，且脱硫灰的掺入量高达 30%~40%，电石渣掺量为 8%。

这样不仅可以大量有效利用工业废渣，缓解普通粉煤灰供应紧张的矛盾，更为主要的为脱硫灰大掺量综合利用找到一个可行的途径，而且可以节约天然石膏和生石灰的使用。

其研究结果对解决日益严重的脱硫灰污染环境问题和节约化石类天然资源问题具有重要的指导作用，同时在新配方下，因生产工艺方面的调整，可以节省能源，能取得显著的经济效益、环境效益和社会
效益。

（2）试验结果表明，采用分散剂和表面活性剂后，砌块制品的气孔较之前未掺入外加剂时孔径均匀分布、细小密集且是球型封闭的孔。

经测试，砌块各项性能得到了优化提高，更加利于施工且用于施工后砌块之前具有的一些缺陷问题将会得到一定的解决。

其外加剂六偏磷酸钠掺量为 0.7%~1.0%，焦磷酸钠掺量为 0.5%~0.7%。

对加大砌块的实际推广应用有重大意义。

参考文献
收稿日期: 2012 年 7 月 7 日
[1] 江小红,宋康,张书博. 机制砂的发展及应用与存在问题探讨[J].甘肃科
形貌（以圆形度代表），圆形度不同对机制砂的最佳砂率、石粉含量、级配都是有影响的，圆形度越好，混凝土的性能越好，而对机制砂的其他特性要求就越宽松。

如今，机制砂已随处可见，其生产管理也日臻完善。

所以，在机制砂的研究上，仍然需要人们的共同努力，尽早制定出统一的标准要求。

技,2011,27(1): 82-83.
[2] 陈家珑,周文娟. 我国人工砂的发展与问题探讨[J].建筑技术, 2007,38 (11):849-852.
[3] 李勇,龙宇. 浅谈机制砂的生产及其在混凝土中的应用[J].福建建筑, 2009,138(12):56-58.
[4] 王稷良,周明凯,贺图升,等. 石粉对机制砂混凝土抗渗透性和抗冻融 性能的影响[J]. 硅酸盐学报,2008,36(4):482-486.
[5] 王援良,牛开民,刘英,等. 机制砂中石粉对混凝土性能影响的研究现状[J]. 公路交通科技,2008,25(9):302-307.
[6] 李兴贵. 高石粉含量人工砂在混凝土中的应用研究[J]. 建筑材料学报,
2004,7(1):69-71.(上接第38页)。